策驅(qū)動(dòng)家電核工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)能效變革
隨著物聯(lián)網(wǎng)的普及以及工業(yè)智能化的提速，智能設(shè)備數(shù)量在不斷攀升，耗電總量也越來(lái)越高。比如家電方面，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，需要長(zhǎng)時(shí)間保持待機(jī)狀態(tài)，將狀態(tài)信息實(shí)時(shí)上傳到手機(jī)客戶(hù)端；比如工業(yè)自動(dòng)化方面，為了提高生產(chǎn)效率，人機(jī)交互更順暢，需要提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，增加顯示屏的尺寸，這些都會(huì)帶來(lái)功耗負(fù)擔(dān)。因此在實(shí)際應(yīng)用中，政府和行業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)于家電產(chǎn)品和工業(yè)產(chǎn)品的能耗要求越來(lái)越嚴(yán)格，從技術(shù)的角度來(lái)看，就是要求功率轉(zhuǎn)換的效率越來(lái)越高。
圖 | 全球變頻空調(diào)占比情況，信息源：羅姆調(diào)查數(shù)據(jù)
以全球年均出貨量在1.5億臺(tái)左右的空調(diào)行業(yè)為例，各國(guó)對(duì)其能耗的限制日益嚴(yán)苛。2020年7月1日，中國(guó)實(shí)施了新能效標(biāo)準(zhǔn)GB21455-2019，要求空調(diào)產(chǎn)品效率達(dá)到80%以上。為了滿(mǎn)足這些要求，現(xiàn)在的空調(diào)都是往變頻方向轉(zhuǎn)變，原來(lái)的定頻空調(diào)基本已被市場(chǎng)淘汰。此外，新標(biāo)準(zhǔn)還新增了待機(jī)功耗要求，以制冷能力在4.5kW以下的機(jī)型為例，要求待機(jī)功耗從原來(lái)的3W降至1W以下。對(duì)于制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，如何在更短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)出更好、更多類(lèi)型的產(chǎn)品，是目前面臨的主要問(wèn)題，它需要生產(chǎn)設(shè)計(jì)平臺(tái)盡量地標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，而對(duì)于功率器件來(lái)說(shuō)，用IPM替代傳統(tǒng)功率模塊的趨勢(shì)非常明顯。
用IPM替代傳統(tǒng)功率模塊的優(yōu)劣勢(shì)分析
什么是IPM？IPM是英文Intelligent Power Module的縮寫(xiě)，翻譯到中文就是智能功率模塊。以開(kāi)關(guān)速度快、損耗小、功耗低、有多種保護(hù)功能、抗干擾能力強(qiáng)、無(wú)須采取防靜電措施、體積小等優(yōu)點(diǎn)在電力電子領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
圖 | IPM與傳統(tǒng)功率模塊的區(qū)別
那么，它跟普通的功率模塊到底有什么區(qū)別呢？普通功率模塊是通過(guò)一些應(yīng)用把需要用到的一些功率器件集合在一個(gè)封裝里面，這對(duì)于設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，還需要外圍能夠匹配更合適的驅(qū)動(dòng)，和大量的外圍電路才能驅(qū)動(dòng)功率模塊。而對(duì)于IPM來(lái)說(shuō)，它不僅僅把功率器件集成進(jìn)去了，還把相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路以及周邊的保護(hù)電路全部集成到了模塊里邊。對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)，可以像控制邏輯器件一樣來(lái)控制功率模塊，非常方便。
圖 | 用IPM替代傳統(tǒng)功率模塊的優(yōu)缺點(diǎn)
我們以空調(diào)壓縮機(jī)控制板為例，來(lái)對(duì)比一下普通功率模塊和IPM的優(yōu)劣情況。如圖所示，左邊藍(lán)色邊框內(nèi)是以往的功率驅(qū)動(dòng)板，它是把功率器件、驅(qū)動(dòng)電路和電流檢測(cè)保護(hù)電路分布在板子上，達(dá)到功率轉(zhuǎn)換的一個(gè)電路。右邊紅色邊框內(nèi)是IPM的方案，我們可以非常直觀地看到，對(duì)于節(jié)省空間和易于設(shè)計(jì)這兩個(gè)方面來(lái)說(shuō)，IPM占有很大的優(yōu)勢(shì)。但是，在某些性能指標(biāo)上面，由于分離器件可以更靈活地對(duì)外圍器件做調(diào)整，具有一定的優(yōu)勢(shì)。不過(guò)，隨著新一代IPM性能的提升，調(diào)整電路的要求開(kāi)始弱化，IPM適用的場(chǎng)景越來(lái)越多。
新一代IPM的特點(diǎn)是什么？
新一代IPM的主要性能體現(xiàn)在哪里呢？我們以羅姆近期推出的600V耐壓IGBT IPM “BM6437x系列”為例，總結(jié)了IPM的三大特點(diǎn)。
特點(diǎn)一：噪聲低且節(jié)能
圖 | 羅姆新一代IPM產(chǎn)品噪聲、功耗測(cè)試結(jié)果
（功率損耗與普通IPM產(chǎn)品同等，且噪聲降低6dB以上）
其實(shí)低噪聲和低功耗是一對(duì)矛盾體，羅姆半導(dǎo)體（上海）有限公司技術(shù)中心高級(jí)經(jīng)理顧偉俊表示：“降噪不僅僅是通過(guò)一些工藝的改善，尤其是針對(duì)EMI降噪，它跟IPM模塊里邊的IGBT的開(kāi)關(guān)速度有一個(gè)直接的關(guān)系，IGBT的開(kāi)關(guān)速度越快，噪音就會(huì)越大，它跟損耗是相關(guān)聯(lián)的，為了保證減少損耗，要求開(kāi)關(guān)速度盡可能地快。要同時(shí)達(dá)到這兩點(diǎn)，只能通過(guò)各個(gè)功率器件之間的完美匹配，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路的阻抗匹配，通過(guò)各個(gè)器件之間的噪音的等級(jí)，包括我們IGBT的管子，包括快恢復(fù)管，包括其他的HVIC里邊的邏輯電路的影響。把這些因素全部綜合考慮，然后找到一個(gè)平衡點(diǎn)，才能起到一個(gè)降噪的過(guò)程，這也是羅姆新一代的IPM BM6437x系列所采用的策略。”
特點(diǎn)二：高精度溫度監(jiān)控
圖 | 羅姆新一代IPM產(chǎn)品溫度監(jiān)控測(cè)試結(jié)果
在普通的IPM產(chǎn)品中雖然也有溫度輸出功能，在靠近主功率器件的HVIC上面，但不是關(guān)注的重點(diǎn)，所以溫度輸出的精度相對(duì)較差，一般在5%上下。但在IPM的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，溫度監(jiān)控可以體現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)是否能夠安全、可靠地工作，溫度輸出的誤差越大，必須考量的余量就越大，對(duì)于IPM的使用限制就會(huì)越多，有些客戶(hù)為了保障產(chǎn)品性能的最大提高，會(huì)采用外置的熱敏電阻來(lái)增加可靠的溫度檢測(cè)，這將額外地增加成本。
顧偉俊表示：“羅姆新一代IPM將溫度輸出的精度設(shè)計(jì)到與外置熱敏電阻基本相同的2%的精度，在同樣的應(yīng)用中完全可以省略掉外置熱敏電阻等外圍電路，既能節(jié)約成本，又能加快開(kāi)發(fā)速度。”
特點(diǎn)三：新增“產(chǎn)品識(shí)別功能”
圖 | 羅姆新一代IPM產(chǎn)品新增“產(chǎn)品識(shí)別功能”
熟悉功率模塊或系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的人知道，考慮到散熱的問(wèn)題，普通的IPM背面有一個(gè)很大的散熱片，所以產(chǎn)品標(biāo)簽都是印在了IPM的背面。當(dāng)IPM插上PCB板，試裝完以后，我們將看不到實(shí)際的標(biāo)簽，所以無(wú)法通過(guò)光學(xué)的手段辨別出采用型號(hào)是否正確。
顧偉俊表示：“為了便于在線(xiàn)測(cè)試的時(shí)候不會(huì)產(chǎn)生誤操作或者是混入其他的料號(hào)，羅姆根據(jù)客戶(hù)的需求，在新一代的IPM開(kāi)發(fā)的時(shí)候，增加了產(chǎn)品識(shí)別功能，通過(guò)阻抗測(cè)量?jī)x能夠區(qū)分不同的型號(hào)以及是否是其他廠商產(chǎn)品混入的狀態(tài)，能夠支持客戶(hù)在線(xiàn)檢測(cè)出料號(hào)是否正確，大大保障了生產(chǎn)的可靠性。”
IPM的普及程度如何？
分析完IPM的需求、優(yōu)劣勢(shì)以及新一代IPM的技術(shù)參數(shù)，我們?cè)賮?lái)聊一聊市場(chǎng)。
我們?cè)僖钥照{(diào)行業(yè)為例，目前在變頻空調(diào)領(lǐng)域，80%~90%以上的機(jī)型全都使用了IPM，IPM基本上已經(jīng)是發(fā)展的主流了。此外，現(xiàn)在空調(diào)的開(kāi)發(fā)周期，國(guó)外一般是兩年或者兩年以上的周期，國(guó)內(nèi)的話(huà)，開(kāi)發(fā)周期非常短，基本上六個(gè)月以?xún)?nèi)必須要有產(chǎn)品上市，所以再用分離器件的話(huà)，連測(cè)試的周期都不能保證，IPM的應(yīng)用已經(jīng)不可避免。其實(shí)，現(xiàn)在不僅僅是空調(diào)行業(yè)，在通用工業(yè)伺服領(lǐng)域，7kW以?xún)?nèi)的產(chǎn)品也在大批量采用IPM。
顧偉俊表示：“最早期的時(shí)候，因?yàn)镮PM價(jià)格可能稍微貴一點(diǎn)，所以分離器件用的還比較多，現(xiàn)在IPM價(jià)格并不是太大的障礙了，而對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，用分離器件不可避免地在生產(chǎn)制造過(guò)程中會(huì)有很多的品質(zhì)問(wèn)題，因?yàn)檫@么多器件要求保證穩(wěn)定，對(duì)于生產(chǎn)保障要求非常高。但I(xiàn)PM基本上避免了這些問(wèn)題，所以制造商現(xiàn)在對(duì)于IPM的接受程度已經(jīng)很高了。”
結(jié)語(yǔ)
IPM大規(guī)模替代傳統(tǒng)功率模塊已成定局，而值得一提的是，在汽車(chē)電動(dòng)化變革勢(shì)不可擋的今天，就IPM車(chē)規(guī)化的進(jìn)程與目前的瓶頸，顧偉俊告訴與非網(wǎng)，“目前市場(chǎng)上很少有能滿(mǎn)足車(chē)企需要的IPM的產(chǎn)品應(yīng)用，而對(duì)于生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，最大的問(wèn)題之一就是原來(lái)面向工控的產(chǎn)品如何能夠滿(mǎn)足車(chē)規(guī)級(jí)的要求。因?yàn)檐?chē)廠對(duì)于功率器件的要求是非常嚴(yán)格的，包括性能，包括性能的保障，可靠性方面要進(jìn)一步的保障，如何保證產(chǎn)品不壞，異常的時(shí)候如何維持正常的工作，這些問(wèn)題都是以前工業(yè)級(jí)別的時(shí)候不需要討論的問(wèn)題，對(duì)于車(chē)規(guī)市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，是必須要解決的問(wèn)題，所以IPM的開(kāi)發(fā)也是針對(duì)于客戶(hù)的要求不斷地改善電路的一個(gè)過(guò)程，尤其是在保護(hù)和應(yīng)用上面，如何達(dá)到車(chē)規(guī)級(jí)的要求，也是一個(gè)不斷地增加電路復(fù)雜程度的過(guò)程。”